電容性開關(guān)掃描-

1、應用手冊 AN2233a電容性開關(guān)掃描作者:Dennis Seguine相關(guān)項目:否相關(guān)部件系列:CY8C21x34PSoC Designer版本:4.2相關(guān)應用手冊:AN2277摘要本應用手冊簡要介紹了采用CY8C21x34 PSoC混合信號陣列的獨特功能來實施電容性開關(guān)陣列的原理及設(shè)計方案。 前言電容感應可以用作非接觸式開關(guān)。如果采用絕緣層保護,這些開關(guān)可以抵抗惡劣的環(huán)境。本應用手冊采用張馳振蕩器進行電容測量,該振蕩器的頻率變化是電容值的函數(shù)。CY8C21x34器件系列的架構(gòu)非常適用于掃描此類開關(guān)的大型陣列。電容性開關(guān)就其基本形式而言,電容性開關(guān)是一對相鄰的平行板,如圖1a所示。盡管存在較

2、小的邊緣至邊緣電容(edge-to-edge capacitance,但開關(guān)布局的本意是為了最小化平行板之間的電容。如果將導體置于靠近兩塊平行板的位置,如圖1b所示,那么就會在導體和一個電極之間產(chǎn)生電容,與此類似,導體和另一個電極之間也會存在電容。 本例中的導體是手指,不過原則上這種方法適用于任何導體,如導電的門鎖開關(guān)、位置感應器,或者是觸針式跟蹤系統(tǒng)(stylus tracking system 中的導電筆。電容開關(guān)陣列的最常見形式為:一組電容中每個電容的一側(cè)均接地。這樣,工作電容只有一側(cè)可充電;開關(guān)是接地的可變電容。導體的存在加大了開關(guān)接地的電容。確定開關(guān)是否激活取決于電容測量是否發(fā)生了改

3、變。電容測量方法實際上存在數(shù)百種電容測量方法。較常用的方法包括:電流-電壓相移測量:采用固定值電阻驅(qū)動電容可以產(chǎn)生具有一定相位差的電壓與電流波形。為了將相位測量保持在理想范圍內(nèi),我們可相應調(diào)整驅(qū)動頻率。 電阻-電容充電定時:采用固定電阻對電容充電,同時測量升壓時間。為了達到合理的時間,較小的電容值可能會需要極大型的。電容橋分壓器(Capacitive bridge divider:此方法通過固定的參考電容來驅(qū)動被測電容。參考電容與被測電容共同形成分壓器。同步解調(diào)器即可恢復電壓信號,在PsoC中可以輕松實現(xiàn)。電荷轉(zhuǎn)移:此方法在概念上類似于R-C充電電路。圖2顯著了簡化的示意圖。CP 是需要檢測的

4、電容。CSUM為求和電容,電荷在連續(xù)周期中被轉(zhuǎn)移至此電容。 圖2:簡化的電荷轉(zhuǎn)移電路C SUM 的電壓在測量周期開始時復位。CSUM的電壓隨每個時鐘周期呈指數(shù)(但幅度輕微上升。我們可利用計數(shù)器測量此電壓以達到特定閾值的時間。張馳振蕩器張馳振蕩器由被測電容、恒流源、比較器以及復位開關(guān)組成,如圖3所示。 圖3:簡化的張馳振蕩器對電容Cp進行線性充電,直至達到相應的閾值。此時,比較器輸出變成高電平,從而啟動開關(guān)閉合。然后電容放電,然后再次開始充電循環(huán)。振蕩器的輸出頻率取決于電容值和充電電流。 圖4:張馳振蕩器波形比較器跳變時間和復位開關(guān)會增加固定的延遲。比較器輸出與系統(tǒng)時鐘同步,以確保比較器復位時間

5、足以使CP的充電電壓完全復位。這可為工作頻率設(shè)定一個實際的上限。注:此類電路常用作電容測量工具,通常采用可以實施比較器和復位開關(guān)的555定時器構(gòu)建。張馳振蕩器電容測量的通用方式已經(jīng)公布了數(shù)10年。計數(shù). . . . . .振蕩器輸出饋送至選通計數(shù)器(gated counter用于測量。張馳振蕩器的輸出具有兩種計數(shù)方法。在第一種方法中,振蕩器輸出驅(qū)動PWM的時鐘輸入。PWM的輸出啟動以系統(tǒng)時鐘頻率(一般為24MHz計時的16位定時器。當PWM輸出變成高電平時,通過釋放采集控制開始計數(shù)。當PWM終止計數(shù)時,采集信號變成高電平,從而停止計數(shù)并且設(shè)置PWM的中斷。在中斷信號中讀取定時器值。振蕩器索引至

6、下一個需要測量的開關(guān),然后再次開始計數(shù)序列。在第二種方法中,PWM按照系統(tǒng)時鐘的派生頻率、以固定周期計時。PWM的輸出啟動16位定時器。振蕩器的輸出為定時器計時。序列開始時Timer16復位;選通周期結(jié)束時讀出計數(shù)值。此方法如圖5所示。上述兩種計數(shù)方法在靈敏度與信躁比(SNR方面具有相同的性能。第一種方法具有較快的數(shù)據(jù)采集速率,但是該速率取決于軟件負載與開關(guān)電容值。第二種方法具有固定的開關(guān)數(shù)據(jù)采集速率。 圖5:張馳振蕩器測量開關(guān)需要的計數(shù)長度和檢測時間取決于靈敏度要求。如果CP變化較小,則頻率變化較小。為了檢測到較小的變化,可能需要進行長時間計數(shù)。這種電路的某些實施方法需要用到由固定電阻值編程

7、的電流源。如果需要測量的電容范圍發(fā)生變化,則必須調(diào)整外部組件(如:電阻。PSoC實施 CY8C21x34CY8C21x34系列具有多種特性,可針對電容性開關(guān)掃描應用實現(xiàn)高效設(shè)計。這些特性包括:o 多路復用器陣列寬,從而可以由通用比較器與電流源測量所有通道。o DAC可調(diào)節(jié)電流源。o 比較器與復位開關(guān)自動連接。這種驅(qū)動與多路復用安排可以避免當前的GPIO把選擇引腳連接至內(nèi)部模擬Mux總線,如圖6所示。恒流源(由寄存器DAC_D控制的IDAC與復位開關(guān)連接至模擬Mux總線。這樣可以把引腳數(shù)需求降低到需要尋址的開關(guān)的數(shù)量;無需外部電阻或電容。感應電容的電壓取決于充電電流: CP是銅箔及其連接器件之間

8、的寄生電容。 圖6:CY8C21x34 Mux總線結(jié)構(gòu)閾值設(shè)為VBG。達到此電壓的充電時間為: 在達到該閾值時,比較器輸出變?yōu)楦唠娖?從而復位單個系統(tǒng)時鐘周期的充電波形。典型的系統(tǒng)時鐘頻率為24MHz,因此復位時間為41.7nsec。此時間并入充電時間以確定振蕩器頻率。典型工作頻率為200kHz 1.0MHz。因此,振蕩器復位時間對工作頻率的影響較小,而且相對固定。振蕩器輸出在定時器中以一定時間tCount進行計數(shù),而tCount取決于外部選通信號。需要讀取計數(shù)器,以便獲取選通時間內(nèi)的計數(shù)值。如果有手指或其它導體接觸開關(guān),則電容提高到CP+CF,從而使頻率降低;在選通窗口期間計數(shù)的張馳振蕩器周

9、期數(shù)也隨之降低。 未接觸開關(guān)時存儲的值與當前值的差值可以確定是否有手指接觸開關(guān)。C P 一般情況下遠大于CF,這樣我們可以在幾乎不影響精確度的情況下大大簡化等式: 上式說明兩個通道之間的靈敏度變量是兩個通道的靜態(tài)電容差值的平方的函數(shù)。為了確保獨立開關(guān)的靜態(tài)(寄生電容理想匹配,在設(shè)計時需要做大量工作。這樣可以提高檢測的可重復性,使所有開關(guān)以相同的差值運行。上述變量可通過軟件補償。通過代數(shù)換算,開關(guān)靈敏度的實際值為: 為了便于計算以及明確指示開關(guān)的啟動,n必須具有足夠大的值。這可以決定多方面的設(shè)計決策。1. CF 應當盡可能遠遠小于CP。由于CF取決于手指面積以及手指距離開關(guān)銅箔的距離(通過表層的

10、絕緣體,因此應當盡可能降低CP 。CP包含開關(guān)焊盤電容與寄生電容,寄生電容包括布線與芯片引腳電容。2. 在開關(guān)陣列(即:多個開關(guān)應用中,必須盡可能降低靈敏度變量。如果n差值較大,某個開關(guān)就有可能在1.0cm距離時啟動,而另一個開關(guān)可能直到直接接觸才啟動。這并不是理想的方式。我們可以采用多種方法平衡靈敏度。其中包括:a. 通過PCB線跡長度校正來精確匹配板上電容;b. 在每個開關(guān)的PCB線跡上添加平衡電容;c. 對每個開關(guān)應用一個校準系數(shù),每次測試開關(guān)時使用。3. 調(diào)整PCB設(shè)計,以降低電容,包括盡可能采用較厚的電路板。此時0.062" PCB優(yōu)于0.015" PCB。4.

11、計數(shù)窗口應當足夠長,以便n成為有效數(shù)字。“有效數(shù)字”可以低至10,也可以大到幾百。例如CF是CP的10%(典型的“弱”開關(guān),其中的開關(guān)閾值設(shè)為20的計數(shù)值,則n為: 如果添加一定裕度使計數(shù)值達到2500,同時以1.0MHz 的額定振蕩器頻率工作,則開關(guān)的檢測時間為4ms。開關(guān)陣列設(shè)計在許多電容式開關(guān)設(shè)計中,感應電容的兩極實際上是相鄰的銅箔或?qū)Ь€,如圖1所示。其中電容一極一般需要接地。要制造開關(guān),可以利用開關(guān)覆蓋非常薄的相互交叉的線跡或者與周圍接地層良好間隔的單個大面積焊盤。后一種構(gòu)造允許范圍更大的感應。線性滑動開關(guān)與軌跡板(trackpad應用的布局采用緊緊相鄰的開關(guān)。此時,未啟動的開關(guān)全部通

12、過相應引腳專用的PSoC GPIO接地。相鄰板(見圖1之間的實際電容很小,但是有源電路板(及其連接PSoC的PCB線跡的對地電容可能較高。兩個并列電路板的電容由下式求出: 等式(6中的計算單位為米。此為非常簡單的模型。實際上存在可以大大提高開關(guān)(和PCB線跡對地電容的邊緣效應。 圖7說明從已有源開關(guān)到系統(tǒng)接地的磁場(注:磁力線旨在說明形狀,而并非電場實際形狀的準確描述。借助合理的電路板厚度,電路板上面的磁場形狀可以實現(xiàn)具有合理靈敏度的開關(guān)。 圖7:開關(guān)的電場如果電路板結(jié)構(gòu)包含一個位于開關(guān)下面的接地層,則大部分電場將分流至該接地層,如圖8所示。 圖8:由接地層分流的電場在開關(guān)下面采用接地層可以大

13、大提高CP的值。通常的設(shè)計方法是把開關(guān)到PSoC的布線在遠離開關(guān)的板側(cè)即bottom層,同時top層鋪地。每個開關(guān)的布線電容隨布線長度變化而變化。把前側(cè)(即top層的接地層轉(zhuǎn)變成密度為40%的柵格(如:交叉線層,在0.040"中心布置0.008"線跡或者在1.0毫米中心布置0.2毫米線跡可以降低寄生電容。 圖9:典型開關(guān)模式圖9說明幾種典型的開關(guān)模式。開關(guān)的工作范圍取決于按鈕和周圍接地層之間的距離、覆層厚度與按鈕間隙的比率、覆層厚度與按鈕到接地層間隙的比率、以及材料的介電值。按鈕尺寸的選擇一般需要進行測試和優(yōu)化。雖然存在一定設(shè)計靈活性,不過開關(guān)材料通常取決于具體應用;設(shè)計人

14、員可以通過選擇適當材料提高SNR。大部分PCB材料(FR-4、撓性電路(Kapton或Mylar、覆層材料(ABS和玻璃的r為4.06.0。低介電常數(shù)陶瓷材料的r可以低于3.0。它們可適用于小型開關(guān),其中封裝的物理結(jié)構(gòu)足以保護所采用的脆弱材料。開關(guān)背面的最佳材料、同時也是開關(guān)操作側(cè)最不理想的材料顯然是介電常數(shù)達到1.0的空氣。利用較高的SNR最易于實現(xiàn)開關(guān)感應，SNR定義為式 總結(jié) （3）中的n與系統(tǒng)噪聲之比。系統(tǒng)噪聲的來源包括計 PSoC CY8C21x34提供了獨特而簡潔的解決方案，能夠 數(shù)過程中的量化誤差、充電時間差值（作為電路輸出 利用單個芯片實現(xiàn)完整的電容式開關(guān)陣列測量。 DAC中的

15、噪聲函數(shù)）、比較器中噪聲造成的閾值變量、 外部干擾信號、以及背景電容C 值的變量。上述電容 P 會隨PCB上開關(guān)的介質(zhì)材料溫度的變化而變化。 利用軟 件可以自動補償緩慢變化的環(huán)境條件。 如果開關(guān)和手指之間的覆層厚度低于PCB厚度的四分 之一， 并且PCB把非開關(guān)側(cè)布置在接地層， 則一般可以 輕松實現(xiàn)理想的SNR。更開放的結(jié)構(gòu)以及空氣隔離可 以提供更好的SNR，但是可能無法提供充分的屏蔽。 為了降低EMI以及對輻射靈敏度， 設(shè)計過程中通常需要 慎重安排PCB布局。 盡管一般采用較大的面積， 但是電 容式開關(guān)陣列不會出現(xiàn)布局問題。不啟動的開關(guān)接地 （即：PSoC I/O的邏輯0）。無論何時都僅僅啟

16、動 一或兩個開關(guān)。 PSoC GPIO輸出不但較弱， 而且速度也不快， 因此不會 產(chǎn)生輻射干擾。如果在個別開關(guān)及其到PSoC的布線下 方采用接地層，則應當采用較為松散的柵格（0.040" 中心上布置0.008"線跡） 實現(xiàn)接地， 以便降低寄生電容。 這樣可以保持低環(huán)路區(qū)域，從而降低輻射干擾并且提 高輻射抗擾度。 作者簡介 姓名：Dennis Seguine 職務(wù)：Cypress MicroSystems 公司高級應用經(jīng)理 背景：加州大學伯克利分校 BSEE 與 MSEE。具有 30 多年的系統(tǒng)與模擬電路設(shè)計經(jīng)驗。在重要醫(yī)療設(shè)備方 面 擁 有 5 項 專 利 。 從 2000 年 開 始 擔 任 Cypress MicroSystems 公司應用工程經(jīng)理。 聯(lián)系方式： 地址：2700 162 Street SW, Building DLynnwood, WA 98037 電話：800.669.0557